RESPIRASI

1

UNIVERSITASJENDERAL SOEDIRMAN

FISIOLOGI HEWAN IMaret 2008

RESPIRASIRESPIRASI

MATERI :MATERI :

• Strategi respirasiStrategi respirasi• Ventilasi dan pertukaran gasVentilasi dan pertukaran gas• Pengaturan Sistem Respirasi VertebrataPengaturan Sistem Respirasi Vertebrata

2

Pendahuluan• Respirasi adl pertukaran oksigen dan CO2 diantara lingkungan dan mitokondria dlm

sel• Pada hewan dengan respirasi udara, pengambilan oksigen oleh sel didahului oleh

pelarutan oksigen dalam medium air• Respirasi dapat terjadi melalui difusi pada hewan uniseluler

• Pada hewan spt sponge dan cnidaria, respirasi terjadi melalui kombinasi gerakan air dan difusi

• Insekta, respirasi terjadi melalui kombinasi aliran udara dan difusi • Hewan dengan sistem sirkulasi darah, respirasi terjadi melalui difusi dan aliran cairan

darah, seperti pd cacing tanah • Hewan dengan insang dan paru-paru internal sering menggerakan medium eksternal

menyeberangi permukaan respirasi, suatu proses yang disebut ventilasi• Empat tahap respirasi pd hewan dengan insang dan paru-paru internal : aliran

medium menyeberangi permukaan respirasi, difusi menyeberangi permukaan repirasi, trasnport gas dan difusi kedalam jaringan

3

GAS RESPIRASI

• Gas respirasi hewan meliputi oksigen (O2), karbondioksida (CO2) dan nitrogen (N).

• Di udara atmosfer nitrogen memiliki persentase terbesar yaitu 78,09% (1 atm),

kemudian oksigen 20,95%, dan karbon dioksida 0,03%. Keadaan ini terdapat di

permukaan air laut dimana tekanan atmosfirnya adalah 760 mmHg.

4

GAS DALAM PERAIRAN

• Gas terlarut dalam air

• Jumlah gas yang terlarut dalam air tergantung pada: (1) sifat gas, karena

daya larut semua jenis gas tidaklah sama; (2) tekanan gas pada fase gas; (3)

temperatur; (4) adanya bahan-bahan terlarut lainnya.

5

Daya larut gas dalam air pada temperatur 150C, tekanan atmosfir, 1 atm.

Jenis gas Daya larut

Oksigen 34,1 ml O2 per liter air

Nitrogen 16,9 ml N2 per liter air

Karbon disoksida 1019,0 ml CO2 per liter air

Schmidt-Nielsen (1991)

6

Kelarutan gas dalam air

• Daya larut karbon dioksida secara kasar adalah 30 kali lipat daya larut oksigen atau 60 kali lipat daya

larut nitrogen. Daya larut ini mempengaruhi jumlah gas yang terlarut dalam air. Meskipun daya larut

karbondioksida 30 kali lipat daya larut oksigen, tetapi karena jumlah karbondioksida di atmosfir sangat

rendah maka jumlah karbondikosida yang terlarut juga rendah.

7

1019 x 0,03Volume CO2 terlarut = = 0,30 ml CO2 per liter air

100

Volume O2 terlarut = = 7,14 ml O2 per liter air

100

34,1 x 20,95

Perhitungan kuantitas gas terlarut

8

Bagaimana oksigen masuk kedalam air?

-- oksigen dalam air berada dalam kesetimbangan (equilibrium) dengan oksigen di atmosfir

-- diasumsikan bercampur sempurna

-- tekanan partial oksigen di atmosfir adalah:

760 X 0.21 = 160 mm Hg

O2

o2

9

Apakah penentu titik kesetimbangan?

atau

Apa yg menentukan konsentrasi kejenuhan oksigen?

1)Temperature

2)Salinitas

3)Tekanan armosfir

4)Kandungan oksigen atmosfir

10

DISSOLVED OXYGEN SATURATION

y = 0.0044x2 - 0.3532x + 14.113

r2 = 0.999

5

10

15

0 10 20 30 40Temperature (C)

DO

(m

g/L

)

FW760 mm Hg

11

DISSOLVED OXYGEN AND SALINITYy = -0.0709x +

7.5818

r2 = 0.9869

6

6.5

7

7.5

8

0 5 10 15 20Salinity (g/L)

DO

(m

g/L

)

30 C760 mm Hg

12

Pengaruh temperatur terhadap jumlah oksigen terlarut dalam air tawar dan air laut dalam keadaan kesetimbangan dengan udara atmosfir.

Temperatur(oC)

Air tawar(ml O2 per liter air)

Air laut(ml O2 per liter air)

0 10,29 7,9710 8,02 6,3515 7,22 5,7920 6,57 5,3130 5,57 4,46

Sumber: Krogh, 1941 dikutip dalam Nielsen (1991).

13


FISIOLOGI HEWAN IRespirasi Hewan air yang berukuran kecil melakukan respirasi dengan difusi

melalui permukaan tubuhnya, biasanya memiliki bentuk bulat, diameter tubuhnya kurang dari 1 mm. Mengapa demikian? Agar oksigen dapat mencapai pusat tubuh hewan yang bulat ini maka oksigen di permukaan tubuhnya harus berada pada konsentrasi tertentu, karena ketika oksigen bergerak kearah dalam tubuh oksigen tersebut digunakan untuk metabolisme. Tensi oksigen di permukaan dapat dihitung dengan rumus E. Newton Harvey (1928) yaitu:

Fo2 = VO2r2 / 6 KFo2 : konsentrasi oksigen pada permukaan tubuh dinyatakan dalam atm.Vo2 : kecepatan konsumsi oksigen, cm3 oksigen per cm3 jaringan per menit r : radius lingkaran dalam cm.K : konstanta difusi, dalam cm2 per atm per menit.

14

Tiga strategi utama respirasi hewan1. Mengalirkan medium eksternal melalui tubuh

2. Difusi gas melalui permukaan tubuh dikombinasikan dengan transport gas dalam sistem sirkulasi internal

3. Difusi melalui permukaan respiratori khusus dikombinasikan dengan sistem siskulasi

• Strategi 1 ditemukan pd sponge, cnidaria dan arthropoda darat

• Strategi 2 disebut juga cutaneous respiration

15

Tipe ventilasi dan efeknya pd pertukaran gas

Ventilasi tidal• Terjadi bila eksternal medium bergerak masuk dan keluar

ruang respirasi dalam a back-and-forth movement • Umumnya tidak mampu mengosongkan sempurna ruang

respirasi pd tiap siklus respirasi• Jadi ketika hewan bernafas, medium segar yg masuk

bercampur dgn medium residual pd ruang respirasi• PO2 ruang respirasi lebih rendah drpd medium eksternal

16

Ventilasi unidirectional

• Darah dapat mengalir dalam satu dari tiga cara, relatif terhadap aliran medium

• Disebut aliran concurrent bila darah mengalir dalam arah yang sama dengan aliran medium

• Aliran counter-current bila darah mengalir dalam arah berlawanan dengan aliran medium

• Aliran crosscurrent, bila aliran darah membentuk sudut terhadap aliran medium eksternal

17

Countercurrent ensure that PO2 in water always higher than that in blood

Countercurrent vs. Concurrent

18

Ventilasi dan Pertukaran Gas• Hewan menggunakan strategi berbeda untuk respirasi di air dan

udara• Hewan dengan medium respirasi air umumnya memilki insang yg

berventilasi secara unidirectional• Hewan dengan medium respirasi udara memiliki paru-paru dgn

ventiasi tidal atau menggunakan sistem tabung berisi udara, spt pada insekta

• Hewan yg bernafas di air harus memventilasi permukaan respirasinya 30 kali lebih kuat agar dapat memperoleh oksigen yang

sama dengan hewan darat• Hewan air memiliki PCO2 arteri 20 kali lebih rendah drpd hewan

darat

19

Ventilasi pd Sponge dan Cnidaria

• Pada Sponge, lecutan flagella choanocyte menggerakan air melewati serangkaian pori, disebut ostia, masuk

spongocoel. Oksigen berdifusi dari air masuk sel, sedangkan CO2 berdifusi keluar. Air lalu keluar dr spongocoel lewat

osculum.• Beberapa cacing pipih juga menggunakan cara yg sama.

Usus dari spesies ini dibatasi oleh sel-sel bersilia, dan lecutan silia ini menggerakan air berisi oksigen ke seluruh tubuh.

• Pada Cnidaria, kontraksi otot menggerakkan air melalui mulut masuk ruang gastrointestinal. Air melewati jaringan, dan O2

berdifusi masuk sel, air keluar lewat mulut.

20

Ventilasi pada Mollusca

• Sebagian besar Mollusca, insangnya bersilia. Lecutan silia menggerakan air melewati insang, memungkinkan aliran

unidirectional medium eksternal. Pada banyak spesies, aliran darah melalui insang tersusun dalam pola countercurrent

terhadap aliran air.• Insang Cephalopoda, spt oktopus dan squid, tidak bersilia. Kontraksi otot mantel menggerakkan air secara unidirectional

melalui rongga mantel melewati insang, memungkinkan terjadinya mekanisme pertukaran countercurrent.

21

Ventilasi pompa bukkal pd Elasmobranch

• Elasmobranch memventilasi ruang branchialnya dengan memperbesar volume ruang bukkal (mulut)

• Peningkatan volume bukkal menyebabkan cairan masuk ruang bukkal melalui mulut dan spirakel. Hewan lalu menutup mulut dan spirakelnya,

otot-otot disekitar rongga bukkal berkontraksi, mengurangi volume rongga bukkal, mendorong air melewat insang dan keluarmelalui celah

insang• Jadi pada hewan ini rongga bukkal berfungsi sebagai pompa penyedot

dan pendorong• Aliran air unidirectional,dan aliran darah yg melewati insang tersusun

dalam countercurrent yang meningkatkan efisiensi pertukaran gas

22

Water flows in through mouth, over gills, then out

23

KO

PB

PO

I

RO

I

RB

A

Diagram memperlihatkan mekanisme ventilasi insang oleh dua pompa setelah inspirasi. A: air, KO: kelep oral, RB: rongga bukal, PB: pompa bukal, I: insang, RO: rongga operkular, PO: pompa operkular


24

150 120 90 60 30

140 110 80 50 20

Air

Darah

Diagram aliran arus berlawanan pada insang ikan. Angka menunjukkan tekanan parsial oksigen (Po2) dalam air dan darah.


25

Gill extracts approx. 80% oxygen from the water

26

Ventilation: pump or ram

27

Respirasi pada Insekta

• Respirasi menggunakan sistem trachea• Trachea merupakan tabung berisi udara yang menetrasi ke

dalam tubuh• Trachea bercabang dan berakhir pada struktur berdinding

tipis disebut tracheolus. • Ujung tracheolus berisi cairan sirkulasi disebut hemolymp

• Oksigen terlarut dalam cairan hemolimph, lalu berdifusi menyeberangi dinding tipis tracheolus

28

Gill for osmo - space beneath wings

29

UNIVERSITASJENDERAL SOEDIRMANR

ESPIRA

SI

Serangga membawa gelembung udara ketika menyelam. Didalam air terjadi pertukaran gas antara gelembung udara dengan sistem trakhea serangga dan antara air dengan gelembung udara. Arah aliran gas tergantung pada tekanan parsial O2, CO2 dan N, dan tekanan total (P) dalam gelembung udara. Tanda panah menunjukkan difusi molekul gas. Total tekanan parsial gas dalam air (dan di atmosfir) = 742,7 mmHg pada permukaan tetapi meningkat ketika buih dibawa menyelam kedalam air.

30

UNIVERSITASJENDERAL SOEDIRMANR

ESPIRA

SI

(a) Sistem respirasi katak. Kedua paru2 terisi ketika udara ditekan kedalamnya. (b) Dasar mulut ditekan kebawah dan udara dihisap lewat 2 nostril. (c) kemudian nostril ditutup, glottis dibuka dan dasar mulut dinaikkan. (d) katak memventilasi mulutnya secara ritmis, membantu memasukkan O2 kedalam mulut dan mengeluarkan CO2 dari mulut. (e) otot dinding tubuh diatas paru2 kontraksi, paru2 mengempis dan udara ditekan keluar.

31


Lempeng labyrinth

Organ khusus untuk respirasi terestrial pada ikan

Lempeng labyrinth pada ikan gurami digunakan untuk mengambil oksigen dari udara

RESPIR

ASI

32

Gas exchange: gill, lung, skin … which one ?

33

Bila lungfish Afrika dan Amerika Selatan ditempatkan diluar air, konsumsi oksigen tidak berubah, tidak demikian dengan lungfish Australia. Pada spesies ini kejenuhan oksigen arteri juga menurun

34

Airway in lung tissue

Burung memp paru-paru relatif kecil dan sembilan kantung udara yang memainkan peran penting dalam respirasi (but are not directly involved in the exchange of gases).

Avian respiration


35

Rasio Vol. Respirasi burung & mamalia

Burung

1 kg

Mamalia

1 kg

Vol. paru-paru (ml)

Vol trachea (ml)

Vol. air sac (ml)

Vol total sistem respirasi

Vol. tidal (ml)

Frek. Respirasi (mnt-1)

29,6

3,7

127,5

160,8

13,2

17,2

53,5

0,9

-

54,4

7,7

53,5

36

Most birds have 9 air sacs: • one interclavicular sac • two cervical sacs • two anterior thoracic sacs • two posterior thoracic sacs • two abdominal sacs

Secara fungsional 9 kantung udara dapat dibagi menjadi kantung anterior (interclavicular, cervicals, & anterior thoracics) & kantung posterior (posterior thoracics & abdominals). Kantung udara memp dinding yg sangat tipis dengan beberapa pembuluh darah.Tidak memainkan peran penting dalam pertukaran gas. Rather, they act as a 'bellows' to ventilate the lungs (Powell 2000).


37


38

1 - On first inhalation, air flows through the trachea & bronchi & primarily into the posterior (rear) air sacs 2 - On exhalation, air moves from the posterior air sacs & into the lungs 3 - With the second inhalation, air moves from the lungs & into the anterior (front) air sacs 4 - With the second exhalation, air moves from the anterior air sacs back into the trachea & out


39Inspiration


40Expiration


41

Jadi untuk menggerakkan 1 “paket” gas didalam seluruh sistem respirasi unggas memerlukan 2 siklus. Keuntungannya bahwa gas yang mengandung oksigen tinggi selalu bergerak searah (unidirectional) menembus paru-paru


42

Paru-paru mammalia

• alveoli yang memperluas permukaan.

• Permukaan pertukaran gas pada paru-paru mencit 800 cm2 permukaan per cm3 jaringan paru-paru (Weibel, 1979). Permukaan pertukaran gas pada paru-paru manusia 100 m2.

• Permukaan yang luas esensial untuk pengambilan oksigen dengan kecepatan tinggi yang dibutuhkan untuk kecepatan metabolik tinggi pada hewan berdarah panas.

• Selaput yang memisahkan udara dalam paru-paru dan dalam darah harus sangat tipis. Paru-paru manusia ketebalan selaput alveolinya < 0,2 m.

• Kombinasi tipisnya selaput alveoli dan luasnya permukaan menjamin berlangsungnya pertukaran gas pada paru-paru dengan kecepatan tinggi.

• Volume paru-paru mamalia ukurannya kira-kira 5% dari volume tubuh. Makin besar ukuran hewan makin besar ukuran Makin besar ukuran hewan makin besar ukuran paru-paru (Schmidt-Nielsen, 1990, p.30)paru-paru (Schmidt-Nielsen, 1990, p.30)

43

Inhalasi dan ekshalasi Inhalasi paru-paru mengembang. Manusia istirahat memiliki

volume tidal 500 cm3..... ruang mati 150 cm3, maka hanya 350 cm3 udara segar yang mencapai paru-paru - ruang mati tersebut 1/3 volume tidal

Orang berolah raga dengan satu tarikan pernafasan kuat dapat menginhalasi sebesar 3000 cm3, ruang mati sebesar 150 cm3 menjadi 1/20 volume tidal.

Ekshalasi kuat didalam paru-paru masih ada sekitar 1000 cm3 udara yang tersisa, udara inhalasi selalu bercampur dengan udara yang tersisa dalam paru-paru dan ruang mati.

Orang istirahat dapat memiliki udara 1650 cm3 dalam paru-parunya. Selama inhalasi, 350 cm3 udara segar masuk paru-paru dan bercampur dengan udara yang ada diparu-paru. Jadi, udara yang diperbaharui hanya kira-kira seperlimanya. Akibatnya, gas alveoli komposisinya tetap cukup konstan yaitu kira-kira terdiri atas O2 15% dan CO2 5%. Komposisi gas alveolar ini tetap sama saat aktivitas tinggi.

44

O2 larut dalam lapisan berair

Menembus dinding alveolus

Menembus dinding kapiler

Memasuki plasma

Menembus sel darah

O2 + Hb membentuk oksihaemoglobin

O2

CO2

Alveolus

Kapiler

O2 alveoli > O2 kapiler

45

Pada ketinggian yang berbeda, tekanan atmosfir dan tekanan parsial gas berbeda

Ketinggian Tekanan parsial Tekanan atm. Keterangan

0 m 159 mmHg 760 mmHg Survive

6000 m 80 mmHg 380 mmHg Manusia sulit untuk survive

Pengaruh ketinggian


46

Temperatur tubuh manusia 37 0C, tekanan uap air 47 mmHg. Jika seseorang berada pada tekanan atmosfir 47 mmHg (yaitu pada ketinggian 19.000 m), maka paru-paru terisi uap air dan tidak ada oksigen yang masuk ke paru-parunya.

Pada 3000-4000 m dpl manusia mulai menurun kinerjanya, tetapi setelah teraklimatisasi kinerjanya normal kembali.

Pada >4000 m dpl mountain sickness (gejala kekurangan O2). Kinerjanya menurun, lemah, kehilangan keseimbangan, pusing, kunang-kunang, muntah-muntah, fungsi pikiran menurun, susah tidur.

Pada 12000 m dpl manusia dapat lulus hidup apabila menghirup oksigen murni.

Pengaruh ketinggian


47

Pasokan O2

tidak cukup1. Ventilasi paru-paru meningkat

Kehilangan CO2 darah

pH darah naik

Aklimatisasi paru-paru orang gunung > orang dataran rendah

2. Kapasitas difusi paru-paru orang gunung >, aklimatisasi tidak merubah kapasitas difusi paru-paru orang dataran rendah

Pada 4000 m, darah merah berubah dari 5 jt/mm3 mjd 8 jt/mm3 darah manusia

3. Pengangkutan oksigen dalam darah meningkat, afinitas oksigen memfasilitasi penghantaran oksigen ke jaringan

Meningkatkan jumlah kapiler per unit volume jaringan (memperpendek jarak difusi) dan meningkatkan konsentrasi myoglobin otot

(meningkatkan kecepatan difusi).

4. Difusi oksigen dari darah ke jaringan ditingkatkan

5. Pemanfaatan oksigen dalam jaringan ?

Pemasokan oksigen kedalam jaringan Pemasokan oksigen kedalam jaringan dipengaruhidipengaruhi::

48

Pengaturan Ventilasi• Ventilasi adl proses ritmik otomatis

• Neuron2 di CNS yi central pattern generator di medula yg menginisiasi gerakan ventilasi hewan

• Kemoreseptor yg mendeteksi perubahan CO2, H+ dan O2, mengirim informasi afferent sensori ke otak. Otak mengintegrasi informasi, lalu mengirim input ke generator respirasi untuk memodifikasi kecepatan

dan kedalaman respirasi• Pada hewan air level oksigen yg rendah merupakan faktor pengatur

ventilasi, sebaliknya pada hewan darat adalah CO2• Hewan air memp. Kemoreseptor O2 internal yg memonitor Po2 darah

didalam insang.• Hewan darat memp. Kemoreseptor CO2/pH. Terdapat dua kelompok

yi central chemoreceptor (di medula) dan peripheral chemoreceptor di arteri

49

Regulasi respirasi

• Regulasi ...... konsentrasi CO2 dalam udara paru-paru. Penambahan CO2 dalam udara inhalasi meningkatkan ventilasi paru-paru. Apabila

ditambahkan CO2 sebesar 2,5% dalam udara inhalasi maka volume ventilasi naik dua kali lipat. Fenomena ini terjadi baik pada mammalia

maupun burung.

• Gas paru-paru mengandung CO2 5%, jika CO2 inhalasi ditingkatkan setinggi 5% volume maka ventilasi akan meningkat beberapa kali lipat.

Pada konsentrasi CO2 yang lebih tinggi akan bersifat narkotik dan menyebabkan respon abnormal.

• Efek penurunan O2 efeknya lebih kecil terhadap ventilasi. Jika konsentrasi oksigen dalam udara inhalasi dikurangi sebanyak 2,5%, dari

21% menjadi 18,5% O2, tidak akan ada perubahan berarti dalam respirasi.

50

Respirasi TelurDuring avian development there are three sequential stages of respiration (Tazawa 1987): prenatal (embryonic), paranatal (hatching), and postnatal (posthatching).

During the prenatal stage respiratory gas exchange occurs via diffusion between the external environment and the initial gas exchanger (i.e., the area vasculosa, or the region of the chorioallantoic membrane) in early embryonic life and later the vascular bed of the chorioallantois. The paranatal stage starts when the beak penetrates into the air pocket between the inner and outer shell membranes (both internal to shell; i.e., internal pipping) this occurs during the last 2-3 days of incubation. During this stage, the lungs begin to replace the chorioallantois as the gas exchanger, yet diffusion remains the major mechanism moving gas across the shell. The postnatal stage begins when the beak penetrates the shell (i.e., external pipping) (Brown et al. 1997).

http://chickscope.beckman.uiuc.edu/explore/embryology/day09/9mri_1.html

http://chickscope.beckman.uiuc.edu/explore/embryology/day09/9mri_1.html

RESPIRASI

Documents

Transcript of RESPIRASI